基于大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

張吉慶（大連斯頻德環(huán)境設(shè)備有限公司,遼寧大連116000）

基于大功率散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

張吉慶
（大連斯頻德環(huán)境設(shè)備有限公司,遼寧大連116000）

本文針對(duì)大功率LED燈具散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)與散熱特點(diǎn)，采用仿真模擬軟件對(duì)其散熱系統(tǒng)的核心部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬，并運(yùn)用中心組合設(shè)計(jì)及響應(yīng)面分析原理度平板翅片型散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

大功率；散熱器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；參數(shù)分析

0　引言

發(fā)光二極管（LED）因具有使用壽命長、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代LED顯示器及照明領(lǐng)域，隨著人們對(duì)于LED大規(guī)模應(yīng)用，其工作功率也越來越大，在照明領(lǐng)域大功率LED裝置電能轉(zhuǎn)化率非常低，大部分電能生成電阻熱而浪費(fèi)。另一方面如果大功率LED工作時(shí)不能熱量及時(shí)傳遞出去，就會(huì)降低燈具的使用壽命，因此對(duì)大功率散熱器裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于提高燈具的使用壽命與工作效率具有非常重要的意義。

1　大功率散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1散熱器翅片數(shù)量

一般散熱器的散熱面積越大，則熱容量、散熱效果越好。其散熱表面積取決于翅片高度與間距，翅片數(shù)越多，散熱的表面積越大，因此散熱器設(shè)計(jì)過程中相應(yīng)增加翅片數(shù)量能夠有效降低燈具工作溫度、提高散熱效率，但由于燈具自身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與尺寸的限制，翅片數(shù)量不可能無限制增加，而且如果翅片數(shù)量過多、密度相應(yīng)增大，反而不利于散熱，因此翅片數(shù)量一般為35片左右。

1.2散熱器翅片寬度

散熱器翅片寬度主要體現(xiàn)于其厚度尺寸，但實(shí)際使用過程中翅片的厚度參數(shù)對(duì)于燈具散熱效果影響較小，因?yàn)楹穸葏?shù)的改變并不能顯著改變翅片的有效散熱面積，如果過度增加翅片厚度，反而會(huì)增加設(shè)備制造成本。因此散熱器設(shè)計(jì)制造過程中，翅片寬度、厚度尺寸應(yīng)盡量小，但受擠壓工藝技術(shù)限制，其厚度必須大于1mm。

1.3散熱器翅片高度

關(guān)于散熱器翅片高度對(duì)其散熱效果影響程度的分析，考慮利用試驗(yàn)方法來解決，首先保證翅片的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作環(huán)境不變，用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)翅片高度參數(shù)與燈具工作溫度關(guān)系進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)得出：隨著翅片高度參數(shù)的增加，燈具溫度出現(xiàn)明顯的下降趨勢，但是當(dāng)翅片高度達(dá)到65mm左右時(shí)，高度繼續(xù)增加散熱能力趨于平緩，因此在一定范圍內(nèi)增加翅片高度能夠顯著提高散熱器的散熱效果。

2　散熱器物理模型的建立

大功率LED燈具主要由多孔型燈殼、透光罩、反光器、照明電源、LED燈珠、鋁基集成電路以及平板型翅片散熱器等組成。根據(jù)要求可將其設(shè)定為LED燈珠：型號(hào)為OSRAMLUW-W5AM，燈珠需要10顆左右，每顆燈珠額定功率為1瓦，電能轉(zhuǎn)化效率設(shè)定為80%，在仿真模擬軟件中使用二維點(diǎn)光源表示；鋁基集成電路板的長寬高結(jié)構(gòu)參數(shù)為180mm*92*1.5mm，線路板導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為200W/(m*k),銅膜覆蓋厚度為60μm，導(dǎo)熱系數(shù)為380W(m*k)；平板型鋁翅片散熱器：散熱器長寬高參數(shù)為220mm*130mm*10mm，翅片厚度2mm，翅片間距及高度為：5mm，20mm,外殼導(dǎo)熱系數(shù)為200W(m*k)。

采用Icepak仿真模擬軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，工作環(huán)境參數(shù)定義為自然對(duì)流換熱模型，且周圍介質(zhì)環(huán)境為20°干燥空氣。該軟件計(jì)算域必須足夠大，一般情況下計(jì)算域選定為：重力反方向上的模型高度定為3倍模型參數(shù)，重力方向模型高度定為2倍模型參數(shù)，模型側(cè)面結(jié)構(gòu)參數(shù)定為0.5倍結(jié)構(gòu)參數(shù)，參考模型如圖1，利用三維軟件設(shè)計(jì)原理，可從不同層面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢測，實(shí)驗(yàn)過程中采用開放型邊界條件。

3　大功散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

3.1中心組合設(shè)計(jì)

首先采用等效電阻電路的處理方法，對(duì)散熱器三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：翅片高度20mm；翅片間距6mm；翅片厚度2mm，然后根據(jù)CentralComposite設(shè)計(jì)原理對(duì)三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱器散熱效果的影響，得出以下實(shí)驗(yàn)因素水平編碼值表：

表1　中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平編碼值表

表格中：r表示各結(jié)構(gòu)參數(shù)與中心點(diǎn)的間距

3.2數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用DesignExpert8.06，可計(jì)算出散熱器三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于散熱效果的響應(yīng)值，最后得出下列方程式：

上述方程中：xi、xj為變量編碼值；b0、bi、bji、bii,為計(jì)算系數(shù)；p為變量代號(hào)。

3.3散熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳值確定

根據(jù)二次相應(yīng)曲面模型計(jì)算方法求得二次相應(yīng)面的對(duì)應(yīng)方程的穩(wěn)定取值點(diǎn)：

利用上式可將回歸方程換算為矩陣的形式：

然后利用求導(dǎo)法則對(duì)上式進(jìn)行求導(dǎo)可得：

求得駐點(diǎn)即各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳值：

假如在實(shí)際取值范圍內(nèi)無法求得駐點(diǎn)，即中心組核試驗(yàn)確定的響應(yīng)面圖形為近似板型，此時(shí)需要對(duì)考慮邊界條件確定最佳值點(diǎn)。

4　結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要是對(duì)大功率LED燈具散熱器的核心部件：燈珠、鋁基集成電路板、平板翅型散熱器，采用中心組合法對(duì)翅片散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：得出散熱器的三個(gè)響應(yīng)因子為翅片高度、間距及厚度，響應(yīng)值為散熱器工作溫度；通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出散熱器的工作溫度值，然后在利用DesignExpert8.06軟件響應(yīng)面分析程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，得出影響散熱器散熱性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)按主次順序?yàn)椋撼崞叨龋境崞g距＞翅片厚度；3個(gè)響應(yīng)因子的最佳結(jié)構(gòu)組合為：翅片高度23．50mm，翅片間距6．05mm，翅片厚度1．32mm，在此條件下，散熱器溫度為45.2822℃。

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